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    陆舜教授课题组 NC 2019:NSCLC-MPE 单细胞代谢表型分析及预后价值

    2019-08-27

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    作者: 李子明 陆舜 转自:肺癌前沿

    目前对晚期非小细胞肺癌的治疗策略是基于精确地治疗前基因分型,根据患者是否携带有药物敏感的驱动突变(如EGFR, ALK, ROS1等)给予相应的靶向药物治疗或化疗。但即使如此,临床上也能观察到具有相同驱动突变特征的患者在接受相同的治疗时产生不同的响应,如20-30%的具有EGFR敏感突变的非小细胞肺癌患者对EGFR TKI药物原发耐药或只能短暂获益,而其他患者却能获益较长时间。对于靶向治疗,目前尚没有简单有效的方法能够在治疗前或治疗过程中患者仍然获益的时候提前准确预测临床获益程度,并且了解携带有相同驱动基因的患者表现出不同应答反应的分子机制。类似的,对不具有敏感突变患者进行的化疗,患者的临床响应也有较大的差异,但目前也没有简单有效的方法来深入分析无应答患者或短期应答患者的潜在机制。

        2019年8月26日,上海市胸科医院陆舜课题组、美国系统生物学研究院魏巍课题组和复旦大学生物医学研究院/附属闵行医院施奇惠课题组合作在Nature Communications杂志上发表了题为“Liquid Biopsy-Based Single-Cell Metabolic Phenotyping of Lung Cancer Patients for Informative Diagnostics”的论文,该研究发展了一种基于液体活检的肿瘤单细胞代谢分型的方法通过对来源于32例 肺腺癌患者恶性胸腔积液获取的肿瘤单细胞进行流式细胞芯片代谢分析和荧光代谢探针分析,分析获得了肿瘤细胞不同的代谢分型。。该结果揭示了肿瘤细胞的广泛代谢异质性,可以分成糖酵解(CD45neg /2-NBDGhigh cells)和线粒体氧化(CD45neg C12R high cells)两种代谢表型。发现两种代谢表型的细胞数目比 Ratio可以预测患者的治疗反应和预后转归。转录组分析表明,糖酵解表型与间质细胞状态有关,与抗性受体酪氨酸激酶AXL和免疫检查点配体的升高表达有关。以AXL为靶标的药物在糖酵解依赖细胞中诱导细胞杀伤,而不影响线粒体氧化依赖细胞的活性。

     

    基于流式细胞代谢芯片技术的代谢分型方法在传统的基因分型之外给临床医生提供了新的、与代谢功能相关的信息,同时对来源于恶性胸腔积液的“液体标本”进行分析,满足了治疗过程中获取非侵入性标本的巨大的需求,帮助医生更准确的诊断与选择药物,同时可为患者减少无效的治疗,节约宝贵的时间以尝试其他更有前途的治疗方法。

     

    该论文的第一作者为上海市胸科医院的李子明博士,共同第一作者为复旦大学生物医学研究院的王卓博士和美国系统生物学研究院的汤寅博士。


    Metabolic phenotyping of rare disseminated tumor cells in MPE. an Illustration of study design and distribution of patient driver oncogene mutations

    Platform and metabolic markers of the on-chip metabolic cytometry.

    肿瘤具有异常的能量代谢调控机制以满足其生长需求,这是大多数种类肿瘤的共同特征。已有的研究表明,肿瘤代谢具有很大的可塑性和异质性,且与药物响应和耐药相关。但是应用体液标本中的散在的肿瘤细胞(DTCs:disseminated tumor cells)进行代谢表型分析尚未被实现,部分原因可能是缺少可靠的高通量分析工具在相对复杂的体液生物学信息背景下进行即时分析。

    本研究在单细胞尺度上分析肺癌患者胸腔积液样本中游离肿瘤细胞的能量代谢特征,使用OMC(on Chip metabolic cytometry )平台测定,我们鉴定了3种代谢活性表型。2-NBDG高表达细胞代表高度糖酵解表型,其在有限线粒体氧化作用下,对葡萄糖消耗近乎贪婪。这是奥托·沃伯格在20世纪60年代发现的癌症代谢最常见的特征之一。Hanahan, D. & Weinberg, R. A. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell 144, 646–674 (2011).

     

    相反,C12Rhigh细胞具有活跃的线粒体氧化但有限的葡萄糖摄取。它们可以通过将大部分摄入葡萄糖导向线粒体氧化,或者消耗其他燃料用于生物能和生物合成需要而表现得像正常细胞(图5c,e)。双阳性表型涵盖具有增强的糖酵解和线粒体氧化的细胞。然而,这些细胞在患者MPE样品中的百分比相对较低(图2d)。癌细胞系相反,我们在患者MPE样品中观察到几乎相互排斥的代谢表型分布(图2b,d;补充图7和8)。这种差异可归因于在胸膜液中生长的肿瘤细胞通常要面对比细胞系的相对均匀的培养条件更复杂的微环境,因此具有高度的功能异质性。

     

    单细胞的分辨率比以往的群体细胞分析(如组织)能可更清晰的解析肿瘤细胞的代谢特征,而液体活检样本中的游离肿瘤细胞使我们无需对样本进行复杂处理(如将组织消化成单细胞)就能快速、高通量的进行单细胞代谢分析。同时,液体活检也能使我们更方便、损伤更小的获得肿瘤细胞样本。

    本研究对32名肺腺癌患者的胸腔积液进行了研究,发现胸腔积液中的肿瘤细胞的能量代谢具有很大的异质性,而高代谢活性的肿瘤细胞主要采取糖酵解和线粒体氧化两种不同的表型。我们发现两种代谢表型的细胞数目的比值可用于预测患者对治疗的响应与生存期。具体地,具有高N / R比率的患者在MPE抽取后5-7个月随访后可能具有差的治疗反应和生理表现,以及较短的存活时间(图3和4)。

    进一步的转录组分析显示糖酵解表型的肿瘤细胞具有间质细胞的特征且高表达受体酪 氨酸激酶AXL和免疫检查点配体。

    代谢表型可能受遗传水平以外的表观遗传学和/或转录组学程序的调节。该比率的预测能力与EMT(上皮间质转化)程序相关,我们发现2-NBDGhigh细胞具有更多的间质样特征,而C12Rhigh细胞主要是上皮细胞(图5c-f)。在NSCLC,GBM,黑色素瘤,和乳腺癌循环肿瘤细胞中已经发现了很多 EMT转化参与介导对化疗和靶向治疗产生抗性的证据。同样,我们有理由相信,在此项研究中发现的糖酵解表型和间质转化的NSCLC-MPE患者,可能对治疗表现出抗性,并且有更差的预后。同时,提示对这类病人更早的进行 靶向AXL的抑制剂治疗或免疫检查点抑制剂治疗值得进一步探索。


    基因分型是精准医学的主要基础。本研究揭示了肺腺癌患者在相同的驱动突变背景下仍然具有不同的能量代谢特征,且这种代谢上的差异可导致对相同治疗方案的不同响应。因此,本研究发展的单细胞代谢功能检测工具可患者进行进一步的细分,以更好的用药。

      这一工作是2017年发表于美国科学院院报(PNAS)的"High-throughput screening of rare metabolically active tumor cells in pleural effusion and peripheral blood of lung cancer patients" (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2017,114, 2544-2549) 的延续,该研究中提出可通过荧光标记的葡萄糖类似物2-NBDG在肺癌患者的胸腔积液和血液样本中检测循环肿瘤细胞,并通过单细胞测序加以验证。该论文发表后被Faculty of 1000 Prime推荐。


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